示波器的帶寬對上升時(shí)間測量的影響

摘要：在示波器的日常使用中，小伙伴們使用最頻繁的功能應(yīng)該是參數(shù)測量?，F(xiàn)在的示波器參數(shù)測量功能很強(qiáng)大，既可以測量頻率、脈寬等時(shí)間信息，也可以測量幅度、平均值等電壓信息，還可以統(tǒng)計(jì)上升沿次數(shù)、面積等其他要素。不過對于這些測量結(jié)果，準(zhǔn)確度是否讓人信服?你又是如何認(rèn)證的呢?

在示波器的日常使用中，小伙伴們使用最頻繁的功能應(yīng)該是參數(shù)測量?，F(xiàn)在的示波器參數(shù)測量功能很強(qiáng)大，既可以測量頻率、脈寬等時(shí)間信息，也可以測量幅度、平均值等電壓信息，還可以統(tǒng)計(jì)上升沿次數(shù)、面積等其他要素。不過對于這些測量結(jié)果，準(zhǔn)確度是否讓人信服?本文就以上升時(shí)間的測量誤差為例，突出示波器在測量中的注意事項(xiàng)。

上升時(shí)間的定義

上升時(shí)間是信號上升快慢的數(shù)值，那其準(zhǔn)確的內(nèi)涵該是如何定義了?說來話長，因?yàn)槎x是比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，一環(huán)套一環(huán)。按常規(guī)理論：信號的上升時(shí)間是正向沿的較低閾值交叉點(diǎn)與較高閾值交叉點(diǎn)之間的時(shí)差。顧名思義，上升時(shí)間肯定是在信號的上升沿時(shí)測量的;較低閾值、較高閾值的取值在某些示波器中是可以自定義的，默認(rèn)為10%、90%幅值處。而幅值的定義，就是頂部值(Top)與底部值(Buttom)之差。頂部值，即波形較高部分的眾數(shù)(最普遍值)。

圖1 上升時(shí)間的定義

圖2 底部值的定義

為什么要測量上升時(shí)間

在日常對待信號快慢的態(tài)度上，小伙伴們一般只關(guān)心信號的頻率，而不關(guān)心信號的上升時(shí)間。兔子是跑得快，但跑得慢的不一定是烏龜。在標(biāo)準(zhǔn)的正弦波中，上升時(shí)間與頻率是純潔的數(shù)學(xué)關(guān)系，但在實(shí)際中，傅立葉告訴我們，實(shí)際的波形是基波和高次諧波混合的產(chǎn)物。因此，波形的高次諧波比重越大，其上升時(shí)間越短。與信號的頻率對比，上升時(shí)間更能代表信號的快慢。所以不要小看低頻的信號，只要它的上升沿是在瞬間爆發(fā)的，則足以引起信號的振鈴、反射、過沖等一系列問題。

圖3 波形本質(zhì)的圖解

示波器帶寬的內(nèi)涵

奧林匹克的口號是“更高、更快、更強(qiáng)”，在示波器上的“更快”，則是對帶寬的要求。示波器中的模擬通道，簡化來看就是個(gè)低通濾波器。它對頻率越高的信號，衰減就越嚴(yán)重。一般會把信號功率衰減了-3dB時(shí)的頻率，定義為示波器的帶寬。當(dāng)然，目前示波器的模擬技術(shù)發(fā)展神速，在示波器標(biāo)定的帶寬頻率點(diǎn)時(shí)，會有一定的裕量，所以在示波器的帶寬頻率點(diǎn)，幅度的衰減是-3dB以內(nèi)的。特別說明的是，探頭也是組成測量系統(tǒng)的重要一環(huán)，若測試中使用到探頭，則必須考慮探頭對帶寬的影響。

圖4 帶寬的圖解

帶寬對上升時(shí)間的影響

如上文所言，示波器對測量信號的幅度上有衰減。根據(jù)上升時(shí)間的定義，幅度的誤差必然會導(dǎo)致上升時(shí)間的出錯(cuò)，從而引入了誤差。在日常使用中，對示波器測得的上升時(shí)間，必須考慮到示波器對其的影響。通常來說，可以根據(jù)示波器的帶寬，引入一個(gè)示波器自身上升時(shí)間的概念Ttro，其定義為Ttro=0.35/BW，BW即為示波器的帶寬。對于200MHz的示波器，可得Ttro=0.35/200MHz=0.35*5ns=1.75ns.而對于上升時(shí)間為T的信號來說，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可以得出測量的上升時(shí)間為

Tmea = sqrt(Ttro^2+ T^2)

T與Tmea的差距，就是測量的誤差了。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，測量的上升時(shí)間還可以評價(jià)示波器帶寬是否滿足其標(biāo)定帶寬的方法。給示波器輸入一個(gè)上升沿極快的信號，其上升時(shí)間為ps級別的。這樣在公式中T是可以忽略不計(jì)的，公式中起作用的為示波器自身的 Ttro。此時(shí)示波器的測量值，應(yīng)當(dāng)小于其計(jì)算的上升時(shí)間(因?yàn)槭静ㄆ鞯膸捠橇粲性Ａ康?。

綜述

示波器測量上升時(shí)間有誤差，那對電壓的測量呢?示波器內(nèi)的ADC的分辨率一般為8Bit(目前有廠家提升到10bit、12bit)，其增益準(zhǔn)確度與偏移準(zhǔn)確度約在±2%左右。在測量直流電壓的準(zhǔn)確度上，其還不如一個(gè)3位半的手持萬用表。在測量時(shí)間精度上，示波器時(shí)基的誤差約在0.5ppm至30ppm之間，即在十萬分之3以內(nèi)，這相比于專業(yè)的頻率計(jì)，誤差還是挺大了。既然示波器測量值都比其他儀器差，那示波器的價(jià)值何在?其實(shí)對于示波器來說，應(yīng)該定義為定性觀察的工具，而不是定量測量的儀器，是在日常電路研發(fā)、調(diào)試中發(fā)現(xiàn)Bug的工具。在電壓測量測量中，示波器比萬用表優(yōu)勝于能觀察波形;對于頻率測量，示波器比

頻率計(jì)能觀看信號頻率的抖動(dòng)。

目前的示波器發(fā)展越來越快，功能亦越來約大。目前周立功致遠(yuǎn)電子新推出的ZDS2024 Plus而言，其支持250M點(diǎn)的超大儲存，支持20多種協(xié)議觸發(fā)與解碼。更令人驚奇的是，該解碼是支持全儲存深度的數(shù)據(jù)解碼，所有數(shù)據(jù)一覽無遺。若搭配上示波器的分段采樣與強(qiáng)大的搜索功能，ZDS2024 Plus馬上化身為一臺強(qiáng)大的協(xié)議分析儀。